3.3.2. Проблемы масштабирования

Сложившиеся тенденции масштабирования ИС могут быть сформулированы (с определённой степенью точности) следующим образом:

новое поколение технологии появляется через каждые три года;

при этом уровень интеграции ИС памяти увеличивается в четыре раза, а логических ИС - возрастает в 2-3 раза;

за каждые два поколения технологии (то есть за 6 лет) минимальный характеристический размер уменьшается в 2 раза, а плотность тока, быстродействие (тактовая частота), площадь кристалла и максимальное количество входов и выходов увеличиваются в два раза.

Эволюция основных параметров МДПТ при масштабировании с 1995 г. и прогноз развития до 2012 г. представлены в табл. (начало гл. 3.3).

Выделяют две основные цели и два вида ограничений при масштабировании МДПТ /8/.

Первая цель заключается в увеличении тока МДПТ для увеличения быстродействия, которое ограничивается временем заряда и разряда паразитных емкостей. Увеличение тока стока требует уменьшения длины канала и увеличения напряженности электрического поля в подзатворном окисном слое, поскольку плотность подвижного заряда в инверсионном слое пропорциональна напряженности электрического поля в окисном слое.

Вторая цель - уменьшение размеров для увеличения плотности размещения элементов. Это требует уменьшения как длины, так и ширины канала МДПТ, т.е. увеличения тока на единицу ширины канала с тем, чтобы обеспечить требуемый уровень рабочего тока.

Сформулированы два вида ограничения в совершенствовании субмикронных ИС. Первый вид связан с необходимостью снижения токов утечки и объясняется следующими причинами: снижением порогового напряжения при уменьшении длины канала, смыканием областей обеднения стока и истока в объеме подложки, наличием туннельной компоненты тока утечки стокового перехода при высокой напряженности вертикального электрического поля в области перекрытия стока затвором (G1DL- эффект), лавинным пробоем pn-перехода стока.

Второй вид ограничения масштабирования вызван необходимостью обеспечения надежного функционирования ИС в течение заданного срока работы приборов, он связан с воздействием горячих носителей и зависимым от времени пробоем подзатворного диэлектрика.

В табл. 3.2 приводятся основные соотношения масштабирования главных параметров МДПТ - структур (первый столбец), позволяющие сохранить неизменным напряженность электрического поля в активных областях приборной структуры. Однако при таком подходе, ориентированном на сохранение напряженности электрического поля, возникают проблемы.

Встроенный (диффузионный) потенциал pn-переходов (V_bi) не поддается прямому эффективному масштабированию, поскольку радикальное его уменьшение с целью сокращения протяженности области пространственного заряда (ОПЗ) возможно лишь при использовании полупроводников с меньшей по сравнению с Si шириной запрещенной зоны (например, Ge или соединений типа Ge_1-xSi_x). При этом необходимо отметить, что с уменьшением V_bi емкость pn-переходов должна возрастать (при прочих равных условиях). Таким образом, следует иметь в виду, что оптимизация величины V_bi в принципе возможна.

Масштабирование порогового напряжения в той же степени, что и напряжения питания, приводит к росту подпорогового тока. Таким образом, для данного метода масштабирования имеется ограничение по снижению напряжения питания. Такое масштабирование в условиях постоянства напряженности электрического поля приводит к следующим важным результатам. Во-первых, плотность размещения элементов возрастает пропорционально коэффициенту α² в результате уменьшения размеров межсоединений и топологических размеров приборных структур. Во-вторых, быстродействие, которое оценивается величиной g_m/C, улучшается пропорционально коэффициенту α, так как емкость (C) межсоединений и приборной структуры уменьшается на коэффициент α, тогда как крутизна (g_m) прибора остается примерно той же самой. И в-третьих, мощность, рассеиваемая одной схемой (логическим вентилем), уменьшается пропорционально коэффициенту α², так как в каждой приборной структуре одновременно уменьшается и напряжение и ток. При этом важным обстоятельством является то, что плотность рассеиваемой прибором мощности остается постоянной. Таким образом, при заданной (неизменной) площади кристалла увеличение числа схем (например, логических вентилей) может не сопровождаться увеличением общей рассеиваемой мощности.

Хотя исходная концепция масштабирования при условии сохранения постоянной напряженности электрического поля является полезной и правильной, идея уменьшения напряжения питания пропорционально уменьшению размеров не стала популярной из-за нежелания отклоняться от стандартизованных общепринятых уровней напряжения питания. Кроме того, пропорциональное масштабирование порогового напряжения приводит к увеличению тока утечки прибора в закрытом состоянии, что определяет практические границы масштабирования напряжения питания.

Таблица 3.2

Закономерности масштабирования при трех различные подходах

Физические параметры	Постоянство напряженности эл. поля	Обобщенный подход	Обобщенный селективный подход
Длина канала. Толщина подзатворного диэлектрика
Ширина линий межсоединений. Ширина канала
Напряженность эл. поля	1
Напряжение
Концентрации легирующих примесей
Площадь

Продолжение табл. 3.2

Физические параметры	Постоянство напряженности эл. поля	Обобщенный подход	Обобщенный селективный подход
Емкости
Задержка на вентиль
Рассеиваемая мощность
Плотность рассеиваемой мощности	1

Примечание: - коэффициент масштабирования линейных размеров; - коэффициент масштабирования напряженности электрического поля; и - коэффициент масштабирования линейных размеров при селективном подходе: - при масштабировании вертикальных размеров и длины затвора, тогда как - используется при масштабировании поперечных размеров и ширины линий межсоединений.

В виду вышесказанного возникает необходимость обобщения метода масштабирования с установлением таких правил проектирования, чтобы, несмотря на возможность увеличения локальной напряженности электрического поля, можно было все же сохранить неизменной общую картину электрического поля и распределения его эквипотенциалей в пределах масштабируемой приборной структуры. При этом физические размеры МДПТ и прикладываемые потенциалы могут масштабироваться с помощью независимых коэффициентов, таким образом значительно повышая возможности проектирования и в то же время удерживая двумерные эффекты под контролем.

В соответствии с обобщенным (универсальным) методом масштабирования параметры приборной структуры изменяются следующим образом:

для потенциалов: ,

для координат: ,

для концентраций: .

Приняты следующие обозначения коэффициентов в обобщенном методе масштабирования:

для геометрических размеров: , ,

для потенциалов: ,

для концентраций: .

Тогда коэффициент масштабирования напряженности электрического поля будет равен ε.

Однако применение обобщенного метода масштабирования имеет ограничения, связанные с влиянием сильного поперечного и продольного электрического поля. При напряженности более 5 мВ/см в подзатворном окисле создаются дефекты, а воздействие горячих носителей приводит к нестабильности параметров транзисторов. Для исключения влияния сильных полей в структуру прибора вводят слаболегированные сток - истоковые LDD-области. Однако при обобщенном методе масштабирования влияние последовательного сопротивления сток - истоковых областей растет пропорционально току стока, т.е. пропорционально ε², и при превышении определенного уровня масштабирования ток и быстродействие транзистора будут снижаться. Другим очень существенным ограничением допустимой величины ε является плотность рассеиваемой мощности, которая возрастает как ε² (как это следует из известного соотношения для мощности CV²f).

Хотя правила масштабирования предписывают необходимость уменьшения размеров приборной структуры и межсоединений на один и тот же коэффициент, на практике они масштабируются с разными коэффициентами. Будем называть подобное масштабирование селективным, если, например, длина канала (L) и толщина подзатворного окисного слоя (T_ox) масштабируются с коэффициентом α_d, а ширина канала и ширина межсоединений - с коэффициентом α_w. При этом быстродействие должно возрастать (см. табл. 3.2) в соответствии с коэффициентом масштабирования приборной структуры α_d, тогда как плотность компоновки увеличиваться в соответствии с коэффициентом α²_w, а величина мощности, рассеиваемой схемой, должна уменьшаться как α_dα_d/ε² в предположении, что уровни напряжений масштабируются с коэффициентом ε/α_d.

Такой подход к масштабированию, отображенный в последнем столбце табл. 3.2, позволяет улучшить выход годных изделий при создании межсоединений без увеличения времени задержки на вентиль.

С помощью правил селективного масштабирования были оценены ожидаемые величины плотности рассеиваемой мощности и времени задержки на вентиль для нескольких поколений приборных структур - вплоть до длины канала, равной 50 нм (см. рис. 3.42). Как можно видеть из рис. 3.42, а, такое большое быстродействие КМДП - вентиля достигается ценой увеличения плотности рассеиваемой мощности. Необходимо отметить, что, хотя использование более низких напряжений питания и приводит к уменьшению потребляемой мощности, - плотность рассеиваемой мощности начинает все же увеличиваться при длине затвора меньше 0,25 мкм.

При дальнейшей эволюции КМДП - структур снижение напряжения питания вплоть до 1В должно стать важнейшим фактором масштабирования. Основной причиной смещения усилий в этом направлении является прогресс в разработке высокопроизводительных систем на одном кристалле, а также огромный спрос на изделия с батарейным питанием. В связи с указанными тенденциями развития KМДП - приборов разработаны два сценария масштабирования КМДП: сценарий, направленный на обеспечение высокого быстродействия схем, и сценарий минимизации потребляемой мощности. Наилучшее соотношение между быстродействием и потребляемой мощностью определяет нижний предел, до которого допустимо масштабировать напряжение питания.

При масштабировании возникают серьезные проблемы и ограничения основных характеристик МДПТ. К ним относятся: нагрузочная способность МДПТ, ток утечки, проблемы надежности (эффект горячих носителей и пробой окисла), последовательное сопротивление МДПТ, немасштабируемость порогового напряжения и др. Необходим поиск компромиссов между быстродействием, напряжением питания и надежностью с одной стороны и между приборными характеристиками и рассеиваемой мощностью с другой.

Рис. 3.42. (а) Зависимости относительной величины плотности рассеиваемой мощности от эффективной длины канала в случаях двух различных подходов к масштабированию, преследующих цель создания МДПТ либо с высокими приборными характеристиками (сплошные кривые) или же потребляющими малую мощность (пунктирные кривые). (б) Зависимости номинальной величины задержки NAND- схемы (ненагруженной, с тремя входами) от эффективной длины канала при аналогичных подходах к масштабированию, что и в (а)

В табл.3.3 представлены перспективы изменения основных параметров МДПТ при масштабировании.

Перспективы масштабирования КМДП СБИС. Рассмотренные стратегии оптимизации процесса масштабирования и связанные с ними ограничения приводят к результатам, представленным в табл. 3.4, где наряду с фактически достигнутым уровнем производства 1994 г. приведены планируемые показатели до 2005г. В 1997г. на основе достигнутых результатов и данных о состоянии полупроводникового производства был представлен прогноз развития до 2012г. (табл. 3.3). Величины, представленные в табл. 3.3, основаны на экстраполяции данных за предшествующий период, хотя по некоторым позициям конкретные пути реализации до конца не определены, и в ряде случаев потребуются новые идеи.

Таблица 3.3

Прогноз изменения основных приборных параметров МДПТ (при их масштабировании) вплоть до 2012 г. - по данным Roadmap'97 (SIA)

Поколение приборных структур МДПТ (минимальный характеристический размер)	250нм	180нм	150нм	130нм	100нм	70 нм	50нм
Год появления первых кристаллов в пром. производстве	1997	1999	2001	2003	2006	2009	2012
Структура области стока	Продленный уч-к обл. стока	Продленный уч-к обл. стока	Продленный уч-к обл. стока	Продленный уч-к обл. стока	Приподнятые обл. истока/стока	Приподнятые области стока	Приподнятые области стока
Глубина контактной области (нм)	100-200	70-140	60-120	50-100	40-80	15-30	10-20
Величина у границы с каналом	50-100	36-72	30-60	26-52	20-40	15-30	10-20
Толщина стенок спейсера (нм)	100-200	72-144	60-120	52-104	20-40	7.5-15	5-10
Толщина слоя силицида (нм)	70	55	45	40	45-70	Новая структура	Новая структура

Продолжение табл. 3.3

Удельное поверхностное сопротивление слоя силицида (Ом/~○)	2	2.7	3.3	3.8	2	2	2
Контактное удельное сопротивление границы раздела /силицид (Ом-см2)	1·10-6	6·10-7	4·10-7	3·10-7	2·10-7	8·10-8	3·10-8
Общее последовательное сопротив. обл. истока/стока (%-ная доля от сопротив. 192А192нала )	10%	10%	10%	10%	10%	10%	10%
Концентрация легирующей примеси в 192А192нале (см-3) при условии <(1/4)	1·1018	2·1018	2.5·1018	3·1018	4·1018	8·1018	14·1019
Концентрация примесей в равномерно легированной области канала (см-3) для случая = 0,4 В	4-6·1017	6-10·1017	7-3·1017	1-2·1018	2-3·1018	>3.5·1018	>7·1018

Ключевыми параметрами МДПТ, определяющими темп развития полупроводникового производства, являются разрешающая способность литографии, длина канала, толщина подзатворного диэлектрика и напряжение питания. Формирование затвора осуществляется с предельной разрешающей способностью литографии, а минимальные топологические размеры межсоединений соответствуют так называемому общему литографическому разрешению.

Для приборов с длиной канала, отвечающей минимально допустимому литографическому размеру, главной проблемой является обеспечение минимально допустимого тока утечки. Поэтому критическим параметром технологии оказывается допустимое отклонение длины канала от заданного значения, обычно не превышающее ±15% от номинального, что приводит к необходимости обеспечения допуска на размер затвора не выше ±10% от номинала. Этот допуск является ключевым параметром технологии изготовления КМДП – структур с высокими характеристиками, поскольку он непосредственно влияет на приборные характеристики при заданных требованиях к току утечки.

Таблица 3.4

Изменение напряжения питания, основных геометрических параметров и приборных характеристик МДПТ за период 1989-2004 гг.

	1989г.	1992г	1995г.	1998г.	2001г.	2004г.
1.Напряжение питания (В) А В	5 -	5/3,3 3,3/2,5	3,3/2,5 2,5/1,5	2,5/1,8 1,5/1,2	1,5 1,0	1,2 1,0
2. Разрешающая способность литографии (мкм) в общем случае для короткоканальных приборов	1,25 -	0,8 0,6	0,5 0,35	0,35 0,25	0,25 0,18	0,18 0,13
3. Длина канала (мкм)	0,9	0,6/0,45	0,35/0,25	0,2/0,15	0,1	0,07
4. Толщина подзатворного диэлектрика (нм)	23	15/12	9/7	6/5	3,5	2,5

Продолжение табл. 3.4

5. Относительная плотность компоновки	1,0	2,5		6,3	12,8	25	48
6. Относительное быстродействие А В	1,0 -	1,4/2,0 1,0/1,6		2,7/3,4 2,0/2,4	4,2/5,1 3,2/3,5	7,2 4,5	9,6 7,2
7. Относительная мощность, потребляемая на 1 функцию А В	1,0 -	0,9/0,55 0,27/0,25	0,47/0,34 0,29/0,18		0,20/0,09 0,08/0,056	0,12 0,036	0,077 0,041
8. Относительная плотность рассеиваемой мощности А В	1,0 -	2,25/1,38 0,7/0,63	3,0/2,1 1,25/0,6		3,7/2,34 1,02/0,72	3,12 0,90	3,70 1,97

Примечание: А – схемы с высокими характеристиками; В – схемы с малой рассеиваемой мощностью.

Возможные пределы уменьшения размеров МДПТ. Достаточно длительное время процесс уменьшения размеров МДПТ имел многообещающую перспективу. Однако уменьшение размеров приборов не может продолжаться бесконечно. Если предположить, что существующие тенденции уменьшения размеров сохранятся, то через несколько лет длина затвора достигнет длины волны электрона, а через 30 лет - межатомных расстояний. Каков же практический предел уменьшения длины затвора? Необходимым условием масштабирования МДПТ является компромисс между подавлением короткоканаль-ных эффектов и увеличением тока стока и крутизны. Максимально возможное подавление короткоканальных эффектов было достигнуто в МДПТ с очень тонкими сток - истоковыми областями инверсионного типа, индуцированными по периметру затвора вторым поликремниевым затвором, как это изображено на рис. 3.43.

Рис. 3.43. Структура МДПТ с двумя затворами

Из-за высокого сопротивления инверсионных сток - истоковых областей ток стока был на 2-3 порядка ниже, чем в обычном транзисторе. Однако коротко-канальные эффекты были подавлены даже в МДПТ с длиной затвора 17 нм. Таким образом, подавление короткоканальных эффектов было достигнуто для транзисторов с длиной затвора от 49 нм до 17 нм. Возможность функционирования МДПТ с L_g= 25 нм и X_j= 10 нм продемонстрирована численным моделированием методом Монте-Карло. На рис. 3.44 представлена возможная физическая структура, использование которой позволит достичь предельно минимальных значений длины затвора. В этой конструкции MДПТ используются "приподнятые" сток - истоковые электроды, сформированные локальной эпитаксией, для снижения последовательного сопротивления. Толщина диэлектрического спейсера должна быть достаточно малой, чтобы обеспечить контакт мелких сток - истоковых областей с каналом. При минимальной толщине спейсера 5 нм (превышающей предел прямого туннелирования) глубина залегания мелких сток - истоковых областей X_j должна быть больше 5 нм. При таких значениях X_j короткоканальные эффекты могут быть подавлены при длине затвора L_g= 25 нм. В такой структуре глубина залегания pn-переходов мелких сток - истоковых областей сравнима с толщиной инверсионного слоя в канале, которая в зависимости от напряжения смещения затвора составляет 1 10 нм. Для исключения деградации тока стока из-за последовательного сопротивления необходимо, чтобы значение X_j было больше толщины инверсионного слоя. Предполагая, что при X_j= 5 нм сопротивление диффузионных слоев близко к сопротивлению канала, можно принять величину последовательного сопротивления сток - истоковых областей как 1/3 общего сопротивления транзистора с L_g=25 нм. Таким образом, в рассматриваемой конструкции MДПТ ограничение тока стока и крутизны не превысит допустимых пределов при длине затвора L_g>25 нм. Сообщение о создании экспериментального образца функционирующего N-канального МДПТ с подобной длиной затвора появилось в конце 1999 года. Поэтому значение L_g= 25 нм пока считается достигнутым пределом масштабирования.

Рис. 3.44. Предполагаемая структура МДПТ при подходе к пределам масштабирования (I_{d max}>1,5-2,0 мА/мкм;

V_d=1,5-0,3 B; f_{T max}=200-250 ГГц)